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Labor-Netzteil: mit Synchron-Gleichrichter, 723, 555,... (Schaltungstechnik)

verfasst von der olle Michi(R), im Norden, 05.04.2019, 01:12 Uhr
(editiert von der olle Michi am 07.04.2019 um 18:45)

Hallo liebe Mitleser,

in dem Vorgängerthema „LM 723 noch/wieder einmal die Innereien…”
Link: http://www.elektronik-kompendium.de/forum/board_entry.php?id=268490&page=2&category=all&order=last_answer&descasc=desc
hatte ich bereits den Entschluss verkündet, dass ich mir endlich ein anständiges Labornetzteil (LNT) bauen will. Da ich z.Zt. leider nur „nebenbei” so ab und zu Zeit finde, dauert die theoretische Entwicklung + Simulation ein wenig länger, noch dazu, wenn eine Sim.-Software ihre ganz spezifischen Eigenschaften aufweist, die man als Einsteiger nicht kennt bzw. erst einmal kennenlernen muss.

Die grundlegenden Wünsche und Eigenschaften sollen sein:
- Einschaltstrombegrenzung (mit Relais gebrückter NTC); ist auch ohne "dicke" Ladeelkos bei einem ca. 180VA-Trafo ganz nett...
- zwei unabhängige „Kanäle” mit je ca. 3-24V @ max. 2,5A Laststrom, separat einstellbar, wahlweise koppelbar („Tracking”-Funktion)
- individuelle Strombegrenzung und Begrenzung der Ausgangsspannung pro Kanal
- vorwählbare Standard-Einstellungen der Spannungen per Knopfdruck (Option für die letzte Entwicklungsstufe)
- vorwählbare Standard-Einstellungen der Strombegrenzungper Knopfdruck (Option für die letzte Entwicklungsstufe)
- digitale Anzeigen für Spannung und Strom pro Kanal (LCD-Fertig-Module)
- individuelle Begrenzung der Ausgangsspannung („Crowbar”)
- weitgehend Verwendung von vorhandenem Material, besonders Netztrafo (M102c oder evtl. SM102), Gehäuse, Kühlkörper etc.
- Schaltungstechnik, soweit realisierbar, nur mit niedrig integrierten Techniken (wg. verschiedener Sonderwünsche)
- linearer (End-)Spannungsregler (LM723), um weitestgehende Rauscharmut am Ausgang zu erreichen
- geschaltet/PWM-geregelter Vor-Regler (f <= 25kHz) mit MOSFET-Synchron-Gleichrichter, um insgesamt die Verluste -besonders am Längsregler niedrig(st) zu halten bzw. einen annehmbaren Wirkungsgrad zu erreichen

Mit dem vorgelagerten Schaltregler erzielt man gleichzeitig, dass das Gerät
a) kein Kondensator-Friedhof zur Minimierung der Restwelligkeit wird, und
b) die wichtigen (Temperatur-sensiblen) Bauteile weniger Stress haben und deshalb die Reparatur-Anfälligkeit sinkt (ist bei 6-8 Stunden Dauerbetrieb pro Tag schon wesentlich)
- Es wird in dem LNT KEIN Mikroprozessor (außer den Anzeigeeinheiten) oder gar eine digitale Schnittstelle zur Außenwelt zu finden sein
- Soweit irgend möglich, verzichte ich gerne auf eine Zwangskühlung mit Ventilator

Das Blockschaltbild hatte ich im anderen Thema bereits eingestellt; dazu bemerkt: Der erste Entwurf, d.h geringfügige Änderungen sind noch denkbar.
Noch ein paar Kommentare zu den oben genannten Punkten (Alles hat zwei Seiten, oder mit anderen Worten: Es geht niemals ohne Kompromisse)...

Zum gesamten Konzept:
1. Ich fordere grundsätzlich Rauscharmut an den Ausgängen; das ist (nur) sehr gut erreichbar mit linearer, aber verlustintensiven Regelungstechnik. Ein Schaltregler ist -was den Wirkungsgrad angeht- um Längen besser als ein linearer, aber auch problematischer, weil er Störspannungen produziert, wenn nicht sorgsam konstruiert.
2. Da ich in der Bastelbude bereits eine Raumheizung habe, brauche ich keine zusätzliche; erst recht nicht, wenn sie direkt-elektrisch betrieben wird. Also kam der Gedanke auf, einen (Vor-)Schalt- und Linearregler zu kombinieren.
3. So toll auch immer primär-getaktete Netzteile vom Wirkungsgrad und der Baugröße her sein mögen: DAS ist nicht mein „zu Hause”, weil ich nur die Theorie kenne und mich deswegen derzeit da nicht heranwage.
4. Eine Umschaltung der Trafo-Sekundärspannungen per Relais kommt allein schon aus (schlechter) persönlicher Erfahrung nicht in Frage; allenfalls auf elektronischen Wege wäre das diskussionswürdig. Jedoch erfordert es immer mehrere Sekundär-Abgriffe auf den Trafo-Wicklungen (Aufwand !).

Daraus entstand die Idee, nach dem Netztrafo einen Synchron-Gleichrichter einzusetzen, der getaktete Power-MOSFETs als Stellelemente nutzt. Der Wirkungsgrad ist sehr ansehnlich, ein Softstart und (im Fehlerfall) eine Schnellabschaltung möglich UND: Er lässt sich per PWM (= PulsWeitenModulation) zwischen minimal ca. 10% und max. 95% Tastgrad auf eine erforderliche bzw. gewünschte Spannung am Ausgang regeln. Weiterhin ist die am Ausgang verbleibende „Brumm”spannung relativ leicht handzuhaben, s.w.u.
Das sind insgesamt Eigenschaften, die mir ein herkömmlicher Brücken-Gleichrichter mit (sehr großer) Ladeelko-„Batterie” von vielleicht 2.000 - 5.000 uF (!!) pro Ampere Laststrom nicht bieten kann, zumindest nicht ohne erheblichen Aufwand.

Die Filterung von 25kHz-Restwelligkeit ist im Vergleich zu 100Hz aus einem Br.-GR wesentlich einfacher, effektiver und baulich kleiner. Wenn man für eine moderate Flankensteilheit der Schaltpulse sorgt, wird die nächstliegende und auch fernere Umgebung nicht mit HF verseucht. Auch hier wieder ein Kompromiss, ob man die letzten mW Verlustleistung vermeidet oder eine möglichst saubere Ausgangs-Spannung erhalten möchte.
Nun, am Ausgang des geschalteten Vor-Reglers ist noch lange nicht Schluss: Es folgt die (lineare !) Brummsiebung (à la ELKO-Minikurs) mit >= 46 dB Dämpfung der Restwelligkeit und danach noch der lineare Längsregler (LM723) unter Umgehung des Chip-internen Standard-Darlington-Ausgangs mit einem komplementärer Darlington (ebenfalls ELKO-Minikurs) als Leistungs-Stellglied.
Zum guten Schluss folgt eine Schutzschaltung gegen Überspannung, um empfindliche Halbleiter-Bauteile beim Testen am Leben zu erhalten.

Ach ja, da fällt mir doch noch ein…. der „lilafarbene” 555…., wo ich doch versprochen hatte, ihn einzusetzen.
Er befindet sich in der Ansteuerung für die MOSFETs, um eine sogenannte Totzeit zu erzeugen. Die sorgt dafür, dass nicht zwei der FETs in der Halbbrücke des Synchron-GR gleichzeitig leiten können und einen Kurzschluss zwischen den Wechselspannungsleitungen vom Trafo verursachen.

Ich bin natürlich jederzeit offen für konstruktive Kritik und Verbesserungsvorschläge, denn NOCH ist der Lötkolben kalt… Soll heißen, dass ich lieber eine "fertige" Entwicklung aufbaue als nachhher Dutzende Änderungen ein- und umbaue. ;-)

Im Anhang habe ich mal in einem Excel zusammengestellt, wie der Wirkungsgrad des/meines geplanten LNT im Vergleich zu einem konventionellen, reinen Linear-NT (ohne sekundäre Trafo-Umschaltung) aussehen könnte. Die Verluste vom Netztrafo (und wenige weitere) habe ich mal grob geschätzt; ich werde meinen vorhandenen Trafo noch einem Vorab-Test (vor dem Umwickeln) unterziehen, um realistische Werte zu bekommen.

Schaltungs-Einzelheiten folgen gerne später, wenn ich sie entsprechend aufbereitet habe.

d.o.M.

--
Grüße
Michael

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Gesamter Thread:

Labor-Netzteil: mit Synchron-Gleichrichter, 723, 555,... - der olle Michi(R), 05.04.2019, 01:12
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - cmyk61(R), 05.04.2019, 06:54
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - der olle Michi(R), 05.04.2019, 09:09
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - xy(R), 05.04.2019, 09:42
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - bigdie(R), 05.04.2019, 20:07
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - cmyk61(R), 05.04.2019, 21:04
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - der olle Michi(R), 06.04.2019, 12:20
Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - bigdie(R), 08.04.2019, 06:36
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Labor-Netzteil: mit LM723 (+ lilafarbenem 555!) und mehr... - Wolfgang Horejsi(R), 08.04.2019, 10:48
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